Экспериментальное определение тепловых эффектов процессов проводят в калориметрах. Простейший калориметр состоит из сосуда Дьюара и изолирующей системы (рис. 1).
Рис. 1.1. Схема калориметра
1 – металлический стакан или сосуд Дьюара;
2 – воздушная оболочка; 3 – подставка;
4 – крышка; 5 – мешалка; 6 – термометр Бекмана; 7 – ампула с испытуемым веществом.
В калориметрах определяют вызванное данным процессом изменение температуры (ΔT) и по этой величине находят тепловые эффекты ΔН растворения определенных навесок соли.
Δh= КΔТ
К – постоянная калориметра – количество тепла, необходимое для нагревания калориметра на один градус (кДж·К–1).
Постоянная калориметра представляет собой сумму произведений теплоемкостей тех частей прибора и раствора, которые участвуют в теплообмене, на их массу
К=Σ mici,
где mi – массы отдельных частей прибора и жидкости; ci – удельные теплоемкости отдельных частей прибора и жидкости.
Постоянную калориметра находят опытным путем по известной теплоте растворения какой-либо соли:
, (1.13)
где q – навеска соли, интегральная теплота растворения которой известна, г; Δhm – интегральная теплота растворения этой соли, кДж/молъ (по справочнику); М – молярная масса соли, г/моль; ΔT – изменение температуры, К;
Интегральная теплота растворения исследуемой соли определяется по формуле (14)
(1.14)
где ΔНi – тепловой эффект растворения исследуемой соли, кДж;
Mi – молярная масса исследуемой соли, г/моль.
Изменение температуры в калориметре определяют с помощью термометра Бекмана.
Необходимые реактивы и оборудование:
Калориметр, термометр Бекмана, мешалка, секундомер, весы, разновесы, фарфоровая ступка, цилиндр на 500 мл, хлорид калия, нитрат калия, нитрат аммония, хлорид аммония, гидрокарбонат натрия.
Последовательность выполнения работы:
I. Определение константы калориметра по известной теплоте
Растворения соли
1) Тщательно растирают в фарфоровой ступке 3-4 г хлорида или нитрата калия (или нитрата аммония).
2) Взвешивают с точностью до 0,01 г 2 г хлорида калия (нитрата калия).
3) Вливают в сосуд Дьюара калориметра 100 мл дистиллированной воды, отмеряя её цилиндром. Температура воды должна быть комнатной.
4) Опускают в воду калориметра термометр Бекмана.
5) Проверяют настройку термометра Бекмана. Столбик ртути должен установиться в середине шкалы.
6) Перемешивают мешалкой воду, записывают показания термометра через 1 минуту в течение 5 минут (предварительный период).
7) Всыпают навеску соли в сосуд Дьюара и, продолжая перемешивать раствор, делают замеры температуры через 20 секунд до тех пор, пока соль не растворится (главный период). При растворении соли температура падает, а затем начинает медленно расти.
8) Делают ещё 5 замеров температуры через 1 минуту после начала её подъёма (заключительный период).
9) По полученным данным строят график в координатах температура-время и определяют графически истинное изменение температуры (ΔТ) в калориметре. Вид кривой и методика определения истинного изменения температуры в калориметре показаны на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Графический метод определения ΔТ.
Точную величину изменения температуры в опыте определяют графически. Па миллиметровую бумагу наносят наблюдаемые в опыте значения температуры в координатах температура – время. В хорошо проведённом опыте изменения температуры до начала реакции и после её окончания изображаются прямыми линиями. Наклон этих прямых относительно оси абсцисс бывает различным в зависимости от разности температур между калориметром и окружающей его средой.
Отрезок АВ показывает изменение температуры в предварительном периоде, ВС – в главном периоде, СД – в заключительном периоде.
Для определения ΔT прямые АВ и СД экстраполируют. Время главного периода EF делят пополам и из полученной точки К восстанавливают перпендикуляр до пересечения с обеими экстраполированными прямыми. Отрезок перпендикуляра между этими прямыми MN, выраженный в градусах, даёт истинное изменение температуры (ΔT).
При графическом определении ΔT на миллиметровой бумаге на оси абсцисс откладывают время в масштабе 1 мин = 0,5 см, на оси ординат – температуру, выбор масштаба которой зависит от величины Т. При ΔT < 1 градуса, 1 градус = 10 см, а при ΔT > 1 градуса, 1 градус = 5 см.
10) Вычисляют постоянную калориметра, пользуясь уравнением (1.13).